Die Saturn V war das erste Mal unbemannt 1964 mit Apollo 4 gestartet worden. Zum Zeitpunkt von Apollo 9 ist ihr Antrieb stark genug, um bis zu 120 Tonnen Nutzlast in den Erdorbit oder rund 45 Tonnen Nutzlast zum Mond zu schicken. Beladen mit dem Apollo-Raumschiff ist sie rund 110 Meter hoch.
Die Besatzung von Apollo 9 besteht aus dem den 39-jährigen James McDivitt, der bereits 1965 als Kommandant von Gemini 4 ins All geflogen ist, dem 36-jährigen David Scott, der 1966 Pilot von Gemini 8 gewesen war, und dem 33-jährigen Weltraum-Neuling Russell „Rusty“ Schweickart.
Der Start ist ursprünglich für den 28. Februar vorgesehen. Der Termin muss aber verschoben werden, als zwei Tage vorher die drei Crew-Mitglieder über Erkältungssymptome klagen. Der neue Termin für den Start vom Kennedy Space Center Launch Complex 39, Pad A, ist der 3. März.
Um 11 Uhr Ortszeit wird die erste Stufe „S-IC“ gezündet. In dieser Stufe befinden sich zwei separate Tanks: einer gefüllt mit knapp 800.000 Litern RP-1, einem kerosinähnlichen Treibstoff, ein zweiter mit mehr als 1,3 Millionen Litern flüssigem Sauerstoff. Fünf F-1 Triebwerke verschaffen der Saturn V einen ersten Schub.
Die zweite Stufe “S-II“ besitzt fünf J-2 Triebwerke, die mehr als 300.000 Liter flüssigen Sauerstoff und mehr als eine Millionen Liter flüssigen Wasserstoff verbrennen.
Das J-2 Triebwerk der dritten Stufe wird dreimal eingesetzt: für den Eintritt in den Erdorbit und zur Navigation der dritten Stufe nach ihrer Trennung vom Apollo-Raumschiff. Auf der S-IVB befindet sich die ringförmige Instrumenteneinheit, das „Gehirn“ der Saturn V.
Verborgen im oberen Teil der dritten Stufe, oberhalb der Instrumenteneinheit, wird die Mondlandefähre transportiert. Aufgrund seiner Erscheinung trägt das Modell der Apollo 9 Mission den Spitznamen „Spider“ – Spinne.
Das Apollo-Raumschiff besteht zum einen aus einem zylinderförmigen Servicemodul, das Kommunikations- und Lebenserhaltungssysteme sowie ein Triebwerk enthält. Darauf sitzt zum anderen das Kommandomodul, in dem sich die Astronauten befinden.
Im Fall einer Notsituation beim Start kann die zehn Meter hohe Rettungsrakete die Apollo-Kapsel mit den Astronauten aus dem Gefahrenbereich transportieren.
Nach knapp drei Minuten wird die erste Stufe abgetrennt. Die Rakete hat eine Höhe von etwa 67 Kilometern und eine Geschwindigkeit von rund 2400 Meter pro Sekunde erreicht.
Nach knapp neun Minuten wird die zweite Stufe abgetrennt. Durch ihren Schub befindet sich die Rakete nun in einer Höhe von rund 190 Kilometern und ist fast bis in den Erdorbit gelangt. Ihre Geschwindigkeit beträgt nun mehr als 25.000 Kilometer pro Stunde.
Der erste Schub der dritten Stufe positioniert das Raumfahrzeug nach rund 11 Minuten in einer Erdumlaufbahn in einer Höhe von knapp 200 Kilometern.
Das CSM trennt sich von der dritten Stufe, und die Paneele, von denen die Mondfähre oberhalb der dritten Stufe geschützt wird, werden abgestoßen.
Nachdem sich das CSM um 180 Grad gedreht hat, kann es an die Mondfähre andocken. 4 Stunden und 8 Minuten nach dem Start trennt sich das gekoppelte Raumschiff von der dritten Stufe.
Am zweiten Tag der Mission testet die Besatzung das System und probiert verschiedene Manöver. Insbesondere soll überprüft werden, wie der Antrieb des Service-Moduls sich verhält, wenn das CSM an die Mondfähre gekoppelt ist.
Am dritten Tag steigen McDivitt und Schweickart zum ersten Mal vom Kommando-Modul in die Mondlandefähre um, um deren System zu testen. Schweickart ereilt aber die Raumkrankheit – er muss sich übergeben. Der Zeitplan verzögert sich.
Rusty Schweickart verlässt die Mondfähre und testet dabei erstmalig das „primary life support system“, ein portables Lebenserhaltungssystem. Aufgrund seiner Krankheit dauert der Außenbordeinsatz nur 39 statt 135 Minuten. Scott beugt sich gleichzeitig aus der Luke des Kommando-Moduls.
Der wichtigste Test der Mission ist das Rendezvous-Manöver: die drei Astronauten entfernen sich in der Mondlandefähre und dem Mutterraumschiff voneinander, um dann wieder anzudocken. Dieses Manöver würde mit Apollo 11 Neil Armstrong und Buzz Aldrin auf die Mondoberfläche und zurück bringen.
Das LM mit McDivitt und Schweickart wird vom Apollo-Raumschiff getrennt. Die Triebwerke des LM laufen nach kurzem Stottern gleichmäßig. Beide Gefährte entfernen sich bis zu 180 Kilometer voneinander.
Vor dem erneuten Aufstieg der Mondlandefähre wird die Abstiegsstufe abgestoßen. Sie wird noch bis zum 23 März um die Erde kreisen, bevor sie schließlich im Indischen Ozean vor der Ostküste Afrikas niedergeht.
Der Antrieb der Aufstiegsstufe bewegt das LM auf eine Bahn in konstanter Höhe unter der des CSM. Ein weiterer Schub ändert die Bahn der Mondlandefähre so, dass sie sich dem Mutterschiff annähert und beide schließlich nach sechs Stunden und 23 Minuten wieder koppeln können.
Die verbleibenden Tage der Mission bieten Zeit für weniger anspruchsvolle Tätigkeiten, unter anderem fotografischen Aufnahmen der Erdoberfläche.
Vor dem Wiedereintritt wird das Service-Modul abgekoppelt.
Das Kommandomodul tritt in die Erdatmosphäre mit einer Geschwindigkeit von . Um 17 Uhr Weltzeit des 13. März 1969 landet die Kapsel im Atlantik. Nach 49 Minuten erreicht die Besatzung per Helikopter das Bergungsschiff.